Шаровая молния как плазменный кристалл из кватаронов воды

Шаровая молния относится к числу давно известных, но достаточно редких явлений, наблюдаемых в атмосфере Земли. Она представляет собой светящееся фазовообособленное образование, обладающее определенным запасом энергии. Имеющийся фактический материал о шаровой молнии по большей части основан на наблюдениях очевидцев. Эти наблюдения обобщены в ряде отечественных и зарубежных сводок [1—3]. Накопленный материал не оставляет места для сомнений на счет самого факта объективного существования этого природного феномена, хотя природа и механизм его образования остаются все еще не понятными.

Природная шаровая молния — это достаточно долгоживущий объект (врe-мя жизни составляет от нескольких до десятков секунд). Она, как прaвило, имеет сферическую форму. Диаметр молнии меняется в широких пределах. Чаще всeго наблюдаются молнии диаметром 10—20 см. Они способны проходить через щели и узкие отверстия, восстанавливать свою форму. Наиболее часто шаровая молния образуется в летнее время, в грозу. К числу характерных свойств молнии относятся также заметные электрические проявления.

Неоднократные попытки воспроизвести шаровую молнию в лабораторных условиях не увенчались полным успехом. Первые эксперименты по искусственному ее получению были начаты Н. А. Гезехусом еще в конце XIX— начале XX в. Лабораторные эксперименты к настоящему времени охватывают широкий диапазон условий, в которых удается получить короткоживущие светящиеся образования [2, 4], но утверждать, что в них удалось воспроизвести то, что обычно называют шаровой молнией, надежных оснований нет.

Предположений о природе шаровой молнии, несмотря на отсутствие экспериментальных данных и невозможность искусственного воспроизведения, высказано огромное количество [5—8], в том числе и весьма экзотических. Однако ни одна из предложенных 2

гипотез не стала общепризнанной. Haи-более аргументированной считается кластерная гипотеза И. П. Стаханова [2]. Согласно этой гипотезе, шаровая молния состоит из необычной плазмы — смеси положительных и отрицательных ионов, облепленных нейтральными молекулами (воды), которые тормозят рекомбинацию ионов, что необходимо для длительного существования плазмы в метастабильном состоянии. По оценкам B. M. Смирнова [9], время рекомбинации гидратированных ионов может на два порядка превосходить время рекомбинации плазмы, состоящей из «голых» ионов и электронов.

В данной работе мы предлагаем принципиально иную кластерную модель образования шаровой молнии.

Модель основывается на идеях ква-таронной концепции кластерной самоорганизации вещества на наноуровне [10, 11]. Ключевая идея этой концепции сводится к тому, что в пересыщенной среде образуются и могут существовать особые наноразмерные кластеры, названные кластерами «скрытой» фазы, или кватаронами. Они предшествуют зародышам новой фазы при конденсации и кристаллизации. Механизм образования и отличительные свойства кватаронов рассмотрены в указанных выше наших работах.

Hовая гипотеза о природе шаровой молнии родилась как продолжение предложенной нами ранее кватарон-ной модели конденсации водяного пара [12]. В этой работе были определены условия образования обычной жидкой воды (вода плотностью 1г/см3), а также рассматривалась возможность образования различных, не установленных еще экспериментально аномальных («твердой», «газообразной», «фрактальной») фаз воды при конденсации и агрегации электрически нейтральных кватаронов. Однако eсли кватароны одноименно заряжены, то ситуация с конденсацией кватаронов радикально изменится. Образование конденсированной фазы в обычном понимании станет невозможным. Hо при этом межкватаронное взаимодействие при определенных условиях может привести к формированию ими пространственно-упорядоченных структур. Впервые на возможность образования заряженными частицами в плазме кристаллоподобных структур указывалось в работе Х. Икези [13]. В последующем такие структуры стали называть кулоновскими, или плазменными кристаллами. Они установлены экспериментальными методами и достаточно хорошо изучены, к примеру, для пылевидной плазмы [14]. Легко представить, что подобное явление может быть реализовано для заряженных кватаронов воды, и они сформируют особую фазу, аналогичную кулоновскому кристаллу. По-видимому, именно эта фаза и представляет собой образование, называемое шаровой молнией (по крайней мере, одна из форм светящихся объектов сферической формы, наблюдаемых в атмосфере). Eсли так, то шаровая молния — это особая плазма, в которой дисперсными частицами выступают электрически заряженные кватароны.

Поскольку кватароны являются относительно крупными частицами, до десятков и даже сотен молекул, то заряд на кватаронах может быть достаточно большим. Однако при значительных зарядах увеличивается среднее рaс-стояние между кватаронами и уменьшается энергия кулоновского взаимодействия, что в конечном итоге приведет к распаду шаровой молнии.

В рамках кватаронной модели находит объяснение большинство свойств шаровой молнии, на которые указывают наблюдатели. Так, наличие «запирающей» фазовой границы и кристаллический характер облака заряженных кватаронов обеспечивают устойчивость шаровой молнии. Отпадает необходимость существования внутри шаровой молнии жесткого каркаса фрактальных кластеров [6] или органического полимера [4]. Модель не противоречит также существованию у шаровой молнии собственного электрического поля, что отмечается во мно-

гих работах. Ряд свойств шаровой молнии (способность сохранять свою целостность и форму, проникать через щели и отверстия и т. д.) являются следствием существования фазовой границы и, следовательно, поверхностной энергии. Рекомбинация зарядов, очевидно, также происходит главным образом на фазовой границе.

Просто решается также центральный вопрос о природе запасенной в шаровой молнии (или полученной извне) энергии. Прежде всего, из изложенной модели следует, что необходимая для поддержания шаровой молнии и ее свечения энергия не подводится извне, а запасена внутри самой молнии, в энергии образующих ее частиц. Hика-ких химических реакций с выделением энергии и появлением заряженных частиц в шаровой молнии не происходит.

Энергия шаровой молнии состоит из поверхностной энергии самой молнии (E_S), энергии образующих ее ква-таронов (E_el) и потенциальной энергии электрического заряда на их поверхности (E_el). Удельная поверхностная энергия γ _S шаровой молнии по разным оценкам находится в пределах 0.1 ÷ 10Ч10^–7 дж/см² [2]. Для шаровой молнии с радиусом в 5 см при γ _S = =10Ч10^–7 дж/см² имеем E_S ≈ 0.310^–4 дж, что, очевидно, составляет крайне малую часть энергии шаровой молнии. Eсли воспользоваться для определения γ _S выражением, приведенным в [15], то значения E_S несколько больше (0.12 дж), но все еще очень малы.

Энергия Ekv представляет собой энергию, которая должна была выделиться при образовании кватаронов, но осталась запасенной в них. Она равна энергии образования всех кватаронов, взятой с обратным знаком:

где M — молекулярный вес, NA — число Авогадро.

В предположении, что плотность шаровой молнии равна плотности воздуха ρ , легко получить выражение для числа кватаронов n в шаровой молнии радиусом R_bl:

n =

n R bi P N A

Тогда из (1) и (4) имеем для суммарной

энергии n кватаронов:

E kv

⁴ ^/1 - ^ ^К^А ^{5 3}

3     ( r J Mr

Расчеты по формуле (5) дают для шаровой молнии радиусом R_bl = 5 см при r = δ = 0.3 нм E_kv ≈ 243 дж, а при r = 2 δ = 0.6 нм E_kv ≈ 41 дж. При r = 0.384 нм, с конденсацией которых связано образование обычной жидкой воды, E_kv составляет 135 дж. Эти значения примерно соответствуют оценкам энергии выделения по действиям, вызываемым шаровой молнией в закрытых помещениях [5], но они гораздо меньше значений, полученных на основе наблюдений вне жилых помещений на открытой местности. Последние, однако, счи-

таются некорректными, поскольку могут быть связаны с выделением энергии внешнего электрического поля. В связи с этим заметим, что еще И. П. Стаханов [2] высказывал предположение, что разрушительное действие шаровой молнии обусловлено не ее собственной энергией, а энергией внеш-

него электрического поля, выделяющейся при протекании тока через нее. Вместе с тем очевидно, что реальная энергия, заключенная в шаровой молнии, больше, поскольку необходимо

4 2 L 4 3)

E kv = ^{-A G} • ⁿ = -~^{n r} Y o l ¹-- I- n, (1) 3 I r J

где ∆ G — энергия образования квата-

ронов, n — число кватаронов в шаровой молнии, r — радиус кватарона,

принимать во внимание энергию, связанную с подзарядкой кватаронов после их образования.

Действительно, при тех же условиях расчет энергии электростатического поля заряженных кватаронов по формуле

γ ₀ — удельная поверхностная энергия, δ — диаметр кластерообразующих частиц (молекул воды). Для кватаронов, радиус которых меньше, чем 4 δ , E_kv > 0.

Плотность кватаронов ρ _kv и их мас-

E

el

( Ze ) ²

----------------------------•

4 п88 ₀Г

са равны соответственно:

P k

6M nNAS3,

m kv

8M

N A

где Ze — заряд, e — диэлектрическая проницаемость, e0 — электрическая постоянная, дают значения Eel, достигающие сотен и десятков тысяч джоулей, в зависимости от величины заряда на кватаронах. Таких энергий вполне достаточно, чтобы объяснить даже самые разрушительные действия шаровой молнии, описанные в литературе.

Таким образом, интерпретация шаровой молнии как плазменного кристалла, образованного кватаронами воды, позволяет объяснить важнейшие ее свойства, отмечаемые наблюдателями. В конечном итоге эти свойства определяются концентрацией и размером кватаронов, а также величиной заряда на них, от которых зависит плотность энергии в объеме шаровой молнии. Количественные оценки энергетических характеристик молнии, полученные в рамках предложенной модели, являются весьма разумными.

В заключениe отметим, что светящиеся образования по обсуждаемому механизму могут в принципе возникать и в парах других веществ. Hе исключено, что многие полученные в лаборатории образования, напоминающие природную шаровую молнию, имеют такую природу.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант №05-05-65112) и программ фундаментальных исследований ОHЗ РАH.